柴油机怠速循环波动特性研究

任川江，曾东建，冷松蓬

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)



·新能源汽车与低碳运输·

柴油机怠速循环波动特性研究

任川江，曾东建*，冷松蓬

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)

为探究不同运转参数对怠速燃烧过程的影响规律，在发动机试验台架上进行不同控制参数下的高压共轨柴油机怠速循环变动特性的实验，分析喷油提前角、冷却液温度和喷油压力对柴油机怠速燃烧循环变动的影响。结果表明：喷油定时从上止点前12°向上止点前2°变化时，缸内最大爆发压力的波动率和循环波动率在上止点前6°最低，表现为两边高中间低；冷却液温度由30 ℃增加至80 ℃时，缸内最大爆发压力的波动率和循环波动率分别由7.64%和1.61%下降到3.47%和0.67%，有效地降低了怠速循环波动；喷油压力从30 MPa增加到40 MPa，可以促进怠速时缸内燃料的雾化蒸发以及与空气的混合，而喷油压力过高时，燃烧重心向上止点平移，使缸内燃烧的可控性变差，各循环间的差异性增大；稳定怠速过程中，缸内最大爆发压力和平均指示压力之间表现出很强的相关性。

柴油机; 怠速; 循环变动

循环波动，即各循环间的燃烧差异性，其存在于发动机运行过程中的每个阶段[1]，并且直接影响着发动机的动力性、经济性、排放性和噪声振动等[2-5]。目前，国内外学者针对点燃式发动机和代用燃料发动机的燃烧循环波动分析较多，而对于压燃式发动机则普遍认为其稳定运行时循环波动较小，很少对其进行深入的研究[6]；但随着能源危机和环境污染的日益严重，人们也不断将目光转向了柴油机燃烧过程的优化和改善。有研究资料表明，作为车用发动机最典型也是最重要的运行工况之一的怠速工况，要消耗汽车运行过程中约25%的运行时间和30%左右的燃料[7]，同时其产生的有害污染排放物中NOx、HC和CO分别占到了城市空气污染物的主要组成部分[8]；因此，进行柴油机怠速循环波动特性的试验研究对优化怠速控制策略，改善柴油机怠速稳定性能，实现柴油机节能减排具有重要意义。

本文针对一台车用高压共轨柴油机进行了不同冷却液温度、不同喷油压力和不同喷油提前角下的怠速循环波动的试验研究，旨在探究不同运转参数对怠速燃烧过程的影响规律，为优化柴油机怠速稳定性提供理论参考。

1 实验设备及实验方案

1.1 实验设备

试验采用4缸四冲程、强制水冷、电控高压共轨直喷式DK4A型柴油机，其主要相关技术参数见表1。

表1 试验多缸柴油机主要技术参数

图1为试验台架示意图。气缸压力通过Kistler6125C型压电式缸压传感器测得，经过Kistler5064型电荷放大器和NI USB 6259高速数据采集卡传至数据采集系统进行数据处理、显示和存储。数据采集卡的触发信号和时钟信号由与发动机曲轴同轴安装的光电编码器产生，各种运行参数的控制由电子控制单元(ECU)和上位机共同完成。

图1 试验台架示意图

1.2 试验方案

为了探究主要控制参数对高压共轨柴油机怠速循环波动的影响，试验中在怠速转速为800 r/min，循环喷油总量为6 mg的情况下，分别进行了冷却液温度从30 ℃到80 ℃(步长为10 ℃)、喷油压力从30 MPa到80 MPa(步长为10 MPa)和喷油提前角从-12 °(deg·ATDC)到-2 °(步长为2°)的怠速稳定性对比实验。

图2 不同喷油提前角下的缸压峰值波动

2 实验结果分析

为了得到不同试验条件下的循环变动特性，实验中以统计的方法得到了连续100个循环缸内压力数据的燃烧相位参数、最大爆发压力Pmax、最大爆发压力所对应转角φmax以及其循环波动率COV(coefficient of variation)等，并针对压力特征参数和燃烧特征参数进行相关性分析。其中，循环波动率的计算公式为：

(1)

(2)

(3)

2.1 压力特性参数分析

图2示出了怠速转速800 r/min，喷油压力40 MPa，冷却液温度80 ℃时不同喷油定时下缸内最大爆发压力随循环次数的波动情况。可以看出：在喷油定时为-12°时，缸内出现最大的平均最大爆发压力6.010 MPa，出现于上止点后1.16 °CA处；当喷油定时逐渐减小为-2°后，缸内的最大爆发压力也相应地单调减小到了5.331 MPa，同时其出现的角度也增加到了上止点后7.47 °CA，增幅达6.31 °CA。结合图3最大爆发压力波动率和循环波动率随喷油定时的变化关系，可以进一步了解到，在喷油定时从上止点前12°向上止点前2°的变化过程中，缸内最大爆发压力的波动率和循环波动率呈现出了中间低两头高的变化规律。这主要是因为在较大喷油提前角(如-12°时)的情况下，燃油喷入气缸时有较低的温度和压力，其雾化、蒸发变慢，其滞燃期相对较长，与此同时较长的燃烧滞燃期为燃油与新鲜充量提供了足够的混合时间，使得燃烧中预混燃烧的比例加大；因此，燃烧一旦发生瞬间即可完成。循环间燃烧状况受缸内温度、压力以及混合气混合状态的影响更加敏感，故此时缸内最大爆发压力的波动率和循环波动率相对较大。当喷油定时靠近上止点时，此时燃油进入气缸时有相对较高的温度和压力，利于油滴破碎和燃油雾化过程；但是其作用时间极短，同时再加上怠速工况下有相对较低的运转速度和气流运动，使得燃烧滞燃期极短，燃料雾化混合不充分，后燃增加，放热重心向后远离上止点，燃烧被拖到了膨胀线上，因此最大爆发压力的波动率和循环波动率也呈增加的趋势。

图3 不同喷油提前角下的最大爆发压力波动率

图4示出怠速转速800 r/min，喷油压力40 MPa，喷油定时为上止点前6°时，不同冷却液温度下缸内燃烧压力峰值随循环的变动规律。可以看出，在冷却液温度由30 ℃增加至80 ℃的过程中，缸内最大爆发压力波动规律并不明显，主要集中于5.708～5.905 MPa之间，波动幅值仅为0.197 MPa，而其出现的角度则由上止点后的7.78 °CA单调减小到了3.03 °CA，明显提前。结合图5可以进一步发现，最大爆发压力波动率和循环波动率对冷却液温度变化比较敏感，随着冷却液温度的增加，其波动率和循环波动率急剧减小，分别由30 ℃的7.64%和1.61%下降到了80 ℃的3.47%和0.67%，不足原来的1/2和2/5。这主要是因为在喷油压力和循环喷油量一定的情况下，较高的冷却液温度提高了缸内壁面的平均温度。这样一方面既降低了缸内燃气与燃烧室壁面的温度差，减少了传热损失，提高了热效率，各循环间的燃烧差异性减小，循环波动降低；另一方面较高的壁面平均温度对燃油进入气缸时的预热作用加强，燃油雾化、蒸发速度加快，燃烧滞燃期缩短：因此，燃烧重心提前。

图4 不同冷却液温度下的缸压峰值波动

图5 不同冷却液温度下最大爆发压力波动率

怠速转速800 r/min，冷却水温80 ℃，喷油定时为上止点前6°时，缸内压力峰值的波动情况如图6所示。可以看到随着喷油压力的增加，缸内平均最大爆发压力及其出现的角度均表现出了相似的变化规律，分别由最初的5.681 MPa和4.16°单调增加和提前到了6.172 MPa和2.96°。这是因为在喷油量一定的情况下，喷油压力越高，喷射速率则越快，喷射过程越早完成，燃油提前进入燃烧前的准备阶段；同时，在较高的喷油压力下油束以很高的速度穿越缸内流体层，其与缸内新鲜充量的摩擦阻力增加，这也加速了油滴的破碎、扩散和蒸发过程：因此，燃烧滞燃期缩短，燃烧重心向上止点靠近。在图7中缸内压力峰值波动率和循环波动率随喷油压力的变化关系并不明显，总体上均呈现出先降低后增加的变化趋势。这说明一定程度上地提高喷油压力有助于减小怠速循环波动，但是过高的喷油压力需要牺牲更多的有用功来维持其稳定性，并且喷油压力越高其稳定性越差；因此，在较高的喷油压力下各循环间燃烧的差异呈增加趋势。

2.2 燃烧特征参数分析

图8—10示出稳定怠速过程中不同喷油定时、不同冷却液温度和不同喷油压力条件下的燃烧特征参数的变化情况。从图8可以看出，随着喷油提前角的减小，燃烧滞燃期呈现出先减小后增加的变化趋势，并在上止点前4°CA时达到最小值2.5°CA，而燃烧重心和燃烧持续期则呈现出单调减小的趋势。这是因为在其他运行条件相同的条件下，相对于较大的喷油定时而言，较迟喷油定时虽然使得燃油较晚进入燃烧室，但是此时活塞靠近上止点，缸内具有较高的温度和压力，同时气流运动较强；因此，燃料燃烧前的雾化、蒸发过程实际上是加快的。这使得滞燃期缩短，预混燃烧比例加大，燃烧速率变快，燃烧重心前移，燃烧持续期缩短。而过于靠近上止点的喷油定时，虽然此时缸内的温度和压力更高，但是在极短的作用时间之后活塞又越过上止点，缸内温度和压力急剧下降；因此，燃烧滞燃期反而增加。

图6 不同喷油压力下的缸压峰值波动

图7 不同喷油压力最大爆发压力波动率

图8 不同喷油定时下的燃烧特征参数分布

冷却液温度变化对燃烧特征参数的影响十分明显，从图9可以看出，燃烧滞燃期、燃烧重心以及燃烧持续期均随着冷却液温度的升高而呈现出减小的趋势。这说明较高的冷却液温度提高了燃烧室壁面的平均温度，预热了新鲜充量，加速了燃油雾化、蒸发以及混合过程，因此燃油较快地完成了燃烧前的准备工作，燃烧过程相对集中，放热速率相对较快。

图9 不同冷却液温度下的燃烧特征参数分布

如图10所示，与冷却液温度对燃烧特征参数的影响相同，喷油压力增加，缸内燃烧滞燃期、燃烧重心以及燃烧持续期均呈现出单调减小的趋势。这主要是因为较高的喷油压力增加了燃油进入燃烧室时的动能，油滴在喷射过程中与缸内气体工质的碰撞作用增强，其雾化、蒸发过程也相对加快，与升高冷却液温度起到了同样的作用。

表2示出不同控制参数下缸内最大爆发压力和平均指示压力的Pearson相关系数R，可以看出其都大于0.8，表现出强相关性。

图10 不同喷油压力下的燃烧特征参数分布

喷油定时/(°CA)-12-10-8-6-4-2R/(IMEP，Pmax)0．990．970．960．910．900．86喷油压力/MPa304050607080R/(IMEP，Pmax)0．920．930．930．940．900．88冷却液温度/℃304050607080R/(IMEP，Pmax)0．860．920．880．930．860．95

3 结论

1)在发动机稳定怠速的情况下，存在一个最优喷油定时，会使缸内燃烧的稳定性变差，最大爆发压力的波动率和循环波动率上升。

2)怠速稳定性对冷却液温度的变化十分敏感，升高冷却液温度可以有效地降低怠速循环波动。

3)一定程度上增加喷油压力，可以促进怠速时缸内燃料的雾化蒸发以及与空气的混合，而过高的喷油压力在加大机械损失的同时也会缩短燃烧滞燃期，燃烧重心向上止点平移，使缸内燃烧的可控性变差，各循环间的差异性增大。

[1]周龙保,刘巽俊,高宗英.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2005：100.

[2]Yin Bifeng, Xu Zhenwei, Liu Shengji, et al. The Influence of EGR on Combustion Process and Emission Performance of High-pressure Common Rail Diesel Engine at Low Loads [J]. Vehicle Engine, 2010(4):74.

[3]Sun Baigang, Zhang Dongsheng, Liu Fushui. Cycle Variations in a Hydrogen Internal Combustion Engine [J]. Int J Hydrogen Energy,2013(38) :3778.

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[6]黄贤龙,罗福强,李占成,等.增压柴油机燃烧循环变动分析[J].车用发动机,2006(1): 19.

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[8]李俄收,吴社强. 柴油机有害排放物及其抑制研究[J].中国农机化,2010(1):79.

(编校：夏书林)

Study on Cyclic Variation of Diesel Enginein Idle Condition

REN Chuanjiang, ZENG Dongjian*,LENG Songpeng

(School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039 China)

To explore the influence of different operating parameters on the combustion process of idling, the cyclic variation of diesel engine has been studied with different control parameters on the engine test bench, and the influences of different injection timing, coolant temperature and injection pressure on the combustion cycle fluctuations have been analyzed. The results showed that when the injection timing varied from 12 °CA BTDC to 2 °CA BTDC, minimum rate of maximum explosion pressure fluctuation and cycle-to-cycle variation were got at 6 °CA BTDC, which presented a high side but low middle figure. While coolant was varying from 30 °C to 80 °C, the rate of maximal explosion pressure flucturation and cycle-to-cycle variation decreased from 7.64% and 1.61% to 3.47% and 0.67%, respectively, and the cycle-to-cycle variation of idling condition could be sufficiently decreased. And the increase of injection pressure from 30 MPa to 40 MPa can promote the progress of fuel atomization, evaporation and mixed. While the pressure is too high, the burn center approach to the TDC, which leads to the result that the combustion got uncontrolled. The maximum explosion pressure in cylinder and the IMEP also show a strong correlation in the stable idle process.

diesel; idle; cyclic variation.

2015-05-08

教育部春晖计划项目(22014059)；四川省教育厅青年基金项目(1321300)；

TK421.2

A

1673-159X(2016)05-0007-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.002

*通信作者：曾东建(1964—)，男，重庆人，教授，主要研究方向为发动机增压技术。